行业动态
高压变频器的工作原理

   变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的 迅猛发展,高压大功率变频调速装置不断地成熟起来,原来一直难于解决的高压问题,近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其应用的领域和范围也越 来越为广范,这使得高效、合理地利用能源(尤其是电能)成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户,高压大功率的更为突出,而这些设备大部分都有节能的 潜力。大力发展高压大功率变频调速技术,,将是时代赋予我们的一项神圣使命,而这一使命也将具有深远的意义。

    高压大功率变频调速装置被广泛地应用于石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。

       
电感元件而得名,其优点是具有四象限运行能力,能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流,装置结构复杂,调整较为困难。另外,由于电网侧采用可控硅移相整流,故输入电流谐波较大,容量大时对电网会有一定的影响。

   电压型变频器

   由于在变频器的直流环节采用了电容元件而得名,其特点是不能进行四象限运行,当负载电动机需要制动时,需要另行安装制动电路。功率较大时,输出还需要增设正弦波滤波器。

   高低高变频器

   采用升降压的办法,将低压或通用变频器应用在中、高压环境中而得名。原理是通过降压变压器,将电网电压降到低压变频器额定或允许的电压输入范围内,经变频器的变换形成频率和幅度都可变的交流电,再经过升压变压器变换成电机所需要的电压等级。

   这种方式,由于采用标准的低压变频器,配合降压,升压变压器,故可以任意匹配电网及电动机的电压等级,容量小的时侯(<500KW)改造成本较直接高压变频器低。缺点是升降压变压器体积大,比较笨重,频率范围易受变压器的影响。

   一般高低高变频器可分为电流型和电压型两种。

   ▲高低高电流型变频器

   电路拓扑结构如图1所示,在低压变频器的直流环节由于采用了电感元件而得名。输入侧采用可控硅移相控制整流,控制电动机的电流,输出侧为强迫换流方式,控制电动机的频率和相位。能够实现电机的四象限运行。

   ▲高低高电压型变频器

   电 路拓扑结构如图2所示,在低压变频器的直流环节由于采用了电容元件而得名。输入侧可采用可控硅移相控制整流,也可以采用二极管三相桥直接整流,电容的作用 是滤波和储能。逆变或变流电路可采用GTO ,IGBT,IGCT 或 SCR元件,通过SPWM变换,即可得到频率和幅度都可变的交流电,再经升压变压器变换成电机所需要的电压等级。需要指出的是,在变流电路至升压变压器之 间还需要置入正弦波滤波器(F),否则升压变压器会因输入谐波或dv/dt过大而发热,或破坏绕组的绝缘。该正弦波滤波器成本很高,一般相当于低压变频器 的1/3到1/2的价格。

       高高变频器

   高高变频器无需升降压变压器,功率 器件在电网与电动机之间直接构建变换器。由于功率器件耐压问题难于解决,目前国际通用做法是采用器件串联的办法来提高电压等级,其缺点是需要解决器件均压 和缓冲难题,技术复杂,难度大。但这种变频器由于没有升降压变压器,故其效率较高低高方式的高,而且结构比较紧凑。

   高高变频器也可分为电流型和电压型两种。

  ▲高高电流型变频器

   它采用GTO,SCR或IGCT元件串联的办法实现直接的高压变频,目前电压可达10KV。由于直流环节使用了电感元件,其对电流不够敏感,因此不容易发生 过流故障,逆变器工作也很可靠,保护性能良好。其输入侧采用可控硅相控整流,输入电流谐波较大。变频装置容量大时要考虑对电网的污染和对通信电子设备的干 扰问题。均压和缓冲电路,技术复杂,成本高。由于器件较多,装置体积大,调整和维修都比较困难。逆变桥采用强迫换流,发热量也比较大,需要解决器件的散热 问题。其优点在于具有四象限运行能力,可以制动。

   需要特别说明的是,该类变频器由于较低的输入功率因数和较高的输入输出谐波,故需要在其输入输出侧安装高压自愈电容。

                                                           
        ▲高高电压型变频器

   电路结构采用IGBT 直接串联技术,也叫直接器件串联型高压变频器。其在直流环节使用高压电容进行滤波和储能,输出电压可达6KV,其优点是可以采用较低耐压的功率器件,串联 桥臂上的所有IGBT作用相同,能够实现互为备用,或者进行冗余设计。缺点是电平数较低,仅为两电平,输出电压dV/dt也较大,需要采用特种电动机或整 加高压正弦波滤波器,其成本会增加许多。它不具有四象限运行功能,制动时需另行安装制动单元。

    这种变频器同样需要解决器件的均压问题,一般需特殊 设计驱动电路和缓冲电路。对于IGBT驱动电路的延时也有极其苛刻的要求。一旦IGBT的开通、关闭的时间不一致,或者上升、下降沿的斜率相差太悬殊,均 会造成功率器件的损坏.                                                                                                

   嵌位型变频器

   钳位型变频器一般可分为二极管钳位型和电容钳位型。

   ▲二极管嵌位型变频器

   电路拓扑结构如图5所示,它既可以实现二极管中点嵌位,也可以实现三电平或更多电平的输出,其技术难度较直接器件串联型变频器低。由于直流环节采用了电容元 件,因此它仍属于电压型变频器。这种变频器需要设置输入变压器,它的作用是隔离与星角变换,能够实现12脉冲整流,并提供中间嵌位零电平。通过辅助二极管 将IGBT等功率器件强行嵌位于中间零电平上,从而使IGBT两端不会因过压而烧毁,又实现了多电平的输出。

   这种变频器结构,输出可以不安装正弦波滤波器。

   ▲电容嵌位型变频器

   电路拓扑结构如图6所示,它采用同桥臂增设悬浮电容的办法实现了功率器件的嵌位,目前这种变频器应用的比较少。

   单元串联型变频器

   这是近几年才发展起来的一种电路拓扑结构,它主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。采用模块化设计,由于采用功率单元相互串联的办法解决了高压的难题而得名,可直接驱动交流电动机,无需输出变压器,更不需要任何形式的滤波器。

   整套变频器共有18个功率单元,每相由6台功率单元相串联,并组成Y形连接,直接驱动电机。每台功率单元电路、结构完全相同,可以互换,也可以互为备用。

   变频器的输入部分是一台移相变压器,原边Y形连接,副边采用沿边三角形连接,共18副三相绕组,分别为每台功率单元供电。它们被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分,每部分具有6副三相小绕组,之间均匀相位偏移10度。

   该变频器的特点如下:

   ①   采用多重化PWM方式控制,输出电压波形接近正弦波。

   ②   整流电路的多重化,脉冲数多达36,功率因数高,输入谐波小。

   ③   模块化设计,结构紧凑,维护方便,增强了产品的互换性。

   ④   直接高压输出,无需输出变压器。

   ⑤   极低的dv/dt输出,无需任何形式的滤波器。

   ⑥   采用光纤通讯技术,提高了产品的抗干扰能力和可靠性。

   ⑦   功率单元自动旁通电路,能够实现故障不停机功能。

   随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展,促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速,计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机 变频调速是当今节约电能,改善生产工艺流程,提高产品质量,以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率,高功率因数,以及优异的调速和启制动性 能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

   以前的高压变频器,由可控硅整流,可控硅逆变等器件构成,缺点很多,谐波大, 对电网和电机都有影响。近年来,发展起来的一些新型器件将改变这一现状,如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器,性能优异,可以实 现PWM逆变,甚至是PWM整流。不仅具有谐波小,功率因数也有很大程度的提高。

       目前,在国内有大量的低压变频器厂商,其大部分为AC380V的中小功率产品,而在高压大功率变频器方面,却为数不多。能够研制、生产、并提供服务的高压变频器厂商,仅有少数的具备科研能力或资金实力的个别企业。

   国内仅有少部分的中、高压电机进行了变频调速改造,且普通采用V/f控制方式。高压变频器的品种和性能还处于发展阶段,每年市场仍需大量进口。这些状况主要表现在如下几个方面:

   ① 国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场,并加快了本地化的步伐。

   ② 具有研发能力和产业化规模的企业少。

   ③ 国产高压变频器的功率等级较低,目前不超过3500KW。

   ④ 国内高压变频器的技术标准还有待规范。

   ⑤ 与高压变频器相配套的产业很不发达。

   ⑥ 生产工艺落后,勉强满足变频器产品的技术要求,但是价格低廉。

   ⑦ 变频器中使用的功率半导体,驱动电路,电解电容等关键器件完全依赖进口。

   ⑧ 与发达国家的技术差距在缩小,具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。

   ⑨ 已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。

   ⑩ 能够进行四象限运行的高压变频器尚在研究与开发中。

   国外各大品牌的变频器生产商,均形成了系列化的产品,其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能,完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前,在发达国家,只要有电机的场合,就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下:

   ① 技术开发起步早,并具有相当大的产业化规模。

   ② 能够提供特大功率的变频器,目前已超过10000KW。

   ③ 变频调速产品的技术标准比较完备。

   ④ 与变频器相关的配套产业及行业初具规模。

   ⑤ 能够生产变频器中的功率器件,如IGBT、IGCT、SGCT等。

   ⑥ 高压变频器在各个行业中被广泛应用,并取得了显著的经济效益。

   ⑦ 产品国际化,当地化加剧。

   ⑧ 新技术,新工艺层出不穷,并被大量的、快速的应用于产品中。

   ⑨ 目前,没有10KV产品。

   交流变频调速技术是强弱电混合,机电一体的综合技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它必定会分成功率和控制 两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题,后者要解决的软硬件控制问题。因此,未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展,其主要表现为:

   ① 高压变频器将朝着大功率,小型化,轻型化的方向发展。

   ② 高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加(器件串联和单元串联)两个方向发展。

   ③ 更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。

   ④ 现阶段,IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色,SCR、GTO将会退出变频器市场。

   ⑤ 无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。

   ⑥ 全面实现数字化和自动化:参数自设定技术;过程自优化技术;故障自诊断技术。

   ⑦ 应用32位MCU、DSP及ASIC等器件,实现变频器的高精度,多功能。

   ⑧ 相关配套行业正朝着专业化,规模化发展,社会分工将更加明显。

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